JPH0296388A - 波長安定化光源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、１．５μｍ帯の波長を持つレーザ光源の波長
安定化技術に関するものであり、特定の化学物質、例え
ばアセチレン分子が持つ１．５μｍ帯の光吸収スペクト
ルのうち、一つの光吸収ピークを波長基準とし、この光
吸収ピークにレーザ光の波長を固定し、波長の安定化を
画る装置である。

本発明は、例えばアセチレン分子が呈する強く鋭い吸収
ピークを波長基準とするため、現今広く使用されている
　１．５μｍ帯のレーザ光波長を高精度に安定化できる
ので、産業上、高精度波長・周波数標準として利用する
ことができる。

例えば、マイケルソン型干渉計を応用した超精密レーザ
測長システムの光源や、光ヘテロダイン周波数計の標準
周波数光源として利用できる。

また、次世代通信方式として研究が進められている、光
へテロダイン通信における、発信局光源及び受信局光源
として利用できる。

〔従来技術〕

レーザ光源の光波長を安定化させる方法としては特定波
長の光吸収ピークを持つ原子・分子を封入した光吸収セ
ルを波長基準として用いる方法、ファブリペロ−共振器
の光共振透過特性を波長基準として用いる方法、及び、
原子をプラズマ状態にし、励起準位間遷移による光吸収
ピークを波長基準とする方法等が検討されている。

この中で、原子・分子を封入した光吸収セルによる安定
化の方式が最も波長安定度が高り、簡単にシステム化が
できる。そのため、ルビジウムやセシウム原子を封入し
た吸収セルにより　０．８μｍ帯のレーザ・ダイオード
のレーザ光の波長安定化光源の実用化が行われており、
アラン分散値で１０−’　”程度が実現されている。

しかし、０．８μｍ帯における光吸収セル方式の安定化
光源が実用化された反面、光ファイバの伝送損失が最も
小さい１．５μｍ帯のレーザ光の安定化光源の実用化は
なされていない、現在までにアンモニア分子や重水分子
を光吸収セルに封入して波長安定化が画れているが、０
．８μｍ帯で使用される原子に比べ、光の吸収係数が小
さいため、波長制御信号のＳ／Ｎが悪く、高い波長安定
度が得られない（アラン分散値で１０−’〜１０−　”
程度である）。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、１．５μｍ波長帯に存在するアセチレン（Ｃ
ｚｌｈ）分子が呈する複数の強く鋭い光吸収ピークを波
長基準として、下記の問題点を解決することを目的とす
る。

（１）アンモニア分子や重水分子等の光吸収ピークは、
光吸収係数が小さいため、光吸収スペクトル信号の強度
が小さい。その結果、波長の変動に対する吸収信号の変
化が小さいため波長制御信号のＳ／Ｎが悪くなり、高い
波長安定度が得られない。

（２）コヒーレント光通信に使用する波長安定化光源は
通信用ファイバーの最低損失波長である１、５５μｍに
近い波長を持つ必要があるが、従来使用されているアン
モニア分子や重水分子では、１．５μｍ以上の波長では
光吸収率が極端に小さくなり、波長安定度が劣化する。

従って、コヒーレント通信ではアンモニア分子や重水分
子を波長基準とした波長安定化光源は使用できない。

〔課題を解決するだめの手段〕

この発明ではアセチレン分子を含む吸収セルを用意し、
そこに、安定化すべき光源の光を導き、アセチレン分子
の吸収線からずれた光の成分を検出し、それを誤差信号
として利用して光波長制御を行なう構成をとる。

第１図に、この構成の大枠を示す。光波長制御の方法と
しては ■　レーザダイオードへの注入電流を変調する従来形の
波長変調の精度を高めるようにしたもの（第３図）。

■　吸収セルに入射する光に波長変調をかけてするもの
（第６図）。

■　アセチレン分子による吸収を２つの受光器からの信
号を対比して誤差信号を得るようにしたもの（第８図）
。

などがある。

以上の方法が代表的なものであるが、これらのほか、フ
ァブリペロ共振器を回転させたり、エフロン共振器を変
化させたりする機械的方法も用いることができる。

〔作用〕

アセチレン分子の吸収ピークは強く鋭い点に特徴がある
。アセチレン分子を１ｍの吸収セルに１ｔｏｒｒの圧力
で封入した場合の、１．５３５〜１．５４５μｍ波長範
囲における基底準位からの遷移系列（００００°０６→
１０１０°０°）に属する吸収ピークの波長位置とその
光吸収率を示す（第２図）。この波長帯において、アン
モニア分子の吸収率は、数％の光吸収率であるので、ア
セチレンはアンモニアの１０倍程度の強い光吸収率を持
つ。また、アセチレン分子の吸収ピークの幅は波長で表
わすと　３．６９１１であり、アンモニア分子の４．８
ｐｍｓ重水分子の４．４ｐｍ（ＤｚＯ）　、　４．５ｐ
ｍ（ＤＨＯ）と比べて、アセチレン分子は狭いピーク幅
を持っている。

上記した光吸収率とピーク幅は吸収ピークを波長基準と
した場合、固定しようとする吸収スペクトル内の波長か
らレーザ光＃１の発振波長がずれたときに変化する透過
光の量に直接関係し、光吸収率が高い程またピーク幅が
狭い程、単位波長あたりのずれに対応する透過光の量の
変化が大きく、感度が高くなる。従って、光検出器３で
出力される信号のＳ／Ｎが高く取れるため、光波長制御
回路４を通して制御されるレーザ光Ｂ１の波長安定度を
高くすることができる。従って、アセチレン分子の光吸
収ピークを波長基準として構成された波長安定化光源で
は、上述したように、波長制御信号の高いＳ／Ｎが得ら
れるため、高い波長安定度が得られる。

また、第２図に示すように、アセチレンの強い吸収スペ
クトルの波長域は、１．５４５μｍまで伸びているため
、コヒーレント光通信で使用する通信用光ファイバーの
光損失が少なく、通信用光源として使用できる。

〔実施例〕

第１図に本発明のアセチレンを封入した吸収セルを使用
した波長安定化光源の一実施例を示す。

レーザ光源ｌから発振させたレーザ光は、アセチレンガ
スを封入した光吸収セル２に入射し、アセチレン分子の
吸収ピークに従った吸収を受け、光検出器３で透過光を
検知する。レーザ光源１の出力光波長はアセチレン分子
の特定の光吸収ピーク波長にほぼ合うように調節されて
おり、アセチレン分子を封入した光吸収セル２を透過さ
せ、その透過光を光検出器３により取り出す。この光検
出信号は、レーザ光源１の出力光強度が一定の場合、吸
収光強度の大きさが波長により変化する。

従って、この光検出器３からの信号を波長制御回路４に
フィードバックさせて、アセチレン分子の吸収ピークの
特定波長からのずれに応じて補正する制御信号をレーザ
光源１に供給することにより、レーザ光源からの出力光
波長を一定に保つことができる。

レーザ光源として、レーザ・ダイオードを使用し、アセ
チレンの吸収ピークの特定波長にレーザ波長を固定する
場合の波長制御回路系の方式としては、次の３つの方法
が代表的であり、この他、機械的に波長制御することも
できる。代表的な３方法を用いた場合の具体的実施例に
ついて以下説明する。

（１）　　吸収スペクトルの微分信号による制御第３図
に、アセチレンの吸収ピークの微分信号による波長制御
系を使った波長安定化光源の一実施例を示す。

この場合、周波数ｆ、の発振器５を用い、レーザ・ダイ
オード電′ａ６の出力電流にｆ、の発振周波数で微弱な
変調電流をのせ、レーザ・ダイオード７の出力光波長に
微弱な変調をかける。この変調された波長を持つ出力光
をアセチレンを封入した光吸収セル８に入射させ、その
透過光をホト・ダイオード９で検知する。

検知した透過光強度は、出力光波長に変調をかけている
ため、アセチレンの吸収ピーク曲線に従った周波数ｒ、
の強度変調を持ち、その強度変調に対応したホト・ダイ
オード９の出力信号をプリアンプ１０を通して、ロック
インアンプ１１に入力する。このロックインアンプ１１
で発振器５の発振周波数と位相同期検波を行うことによ
り、第５図に示すような吸収スペクトルの出力光波長に
おける微分値出力を得ることができる。　この微分値出
力は、レーザ・ダイオード７の出力光波長が、アセチレ
ンの吸収波長と一致したとき０となり、出力光波長が吸
収波長を原点として正負にズしたときは各々負・正の微
分値出力を得ることができ、波長弁別特性をもつ。この
信号をレーザ・ダイオード電源６にフィードバックし、
微分値出力を零とするように出力電流をコントロールす
ることによりレーザ・ダイオード７の出力光波長をアセ
チレンの吸収波長に安定化できる。

（２）音響光学変調器による制御 第６図に、音響光学変調器による波長制御回路系を使っ
た波長安定化光源の一実施例を示す。

レーザ・ダイオード１２の出力光は、発振器１３の周波
数ｆ１１で０Ｎ−ＯＦＦさせている音響光学変調器１４
に入射させ、ＯＮのときにはＯＦＦのときのレーザ・ダ
イオード１２の出力光の周波数にｆＭの変調器が加わる
ようにする。また、レーザ・ダイオード１２の出力周波
数を、第７図に示すように、音響光学変調器１４のＯＮ
とＯＦＦの出力光周波数が、アセチレンの吸収ピークの
中心周波数を間に挟むように調整する。音響光学変調器
１４の出力光はアセチレンを封入した光吸収セル１５に
入射させ、その透過光をホト・ダイオード１６で検知す
る。検知信号は中心波長の両側のアセチレンの吸収ピー
ク曲線に従った透過光強度に対応した信号となる。この
信号をプリアンプ１７を通して、ロックインアンプ１８
で発振器１３の周波数ｆ、と位相同期検波することによ
りアセチレンの吸収ピークの中心波長を挟む左右の音響
光学変調器の出力波長での透過光強度の差に対応した信
号を得ることができる。この信号は、両方の透過光強度
が等しいとき零で、このときのレーザ・ダイオードの出
力波長を特定波長とし、この波長からずれた場合、正負
の信号出力を持ち、波長弁別特性を持つ。

従って、この信号をレーザ・ダイオード電′ｔＪ１９に
フィードバックし、ロックインアンプＩ８の出力信号を
零とするように、出力電流をコントロールすることによ
りレーザ・ダイオード１２の出力光波長をアセチレンの
吸収ピークの特定波長に安定化できる。

（３）　　透過率測定による制御 第８図に、透過率測定による波長制御回路を使った波長
安定化光源の一実施例を示す。

レーザ・ダイオード２１の出力光を、ビームスプリッタ
２２で一定の強度比率で２つの光に分ける。

一方の光は、ホト・ダイオードＡ２３に直接入射させ、
他方の光をアセチレンを封入した光吸収セル２４を透過
させた後、ホト・ダイオードＢ２５で検知する。相対的
な透過光強度を得るために、両方のホト・ダイオード２
３．２５の信号をデイバイダー２６で割り算を行い、第
９図に示す透過光強度の比に対応した信号を発生させる
。安定化を行うアセチレンの吸収ピークの特定波長の透
過光強度とホト・ダイオードＡ２３の強度信号の比に対
応する信号を安定化電源２７から出力させ、差動増幅２
８の基準信号として入力させ、デイバイダーからの信号
を差動増幅器２８にて基準信号と差動増幅させることに
より、特定波長において０、特定波長からずれた場合、
正負の波長弁別信号を得ることができる。この弁別信号
をレー・ザ・ダイオード電ａ２９にフィードバックし、
差動増幅器２８からの出力信号を零になるように、レー
ザ・ダイオ−ド電源２９からの出力電流をコン１０−ル
するごとに、しりレーザ・ダイオード２１の出力波長を
アセチレンの吸収ピーク近傍の特定波長に安定化できる
。

また、機械的方法を用いた場合も上記各方法同様、波長
を安定化させることができる。

上記各方法における光学系の配置方法は、必ずしも第１
図にとられれることはなく、ビームスプリッタ−や反射
ミラーを用いることにより、光吸収セル内を透過する透
過光を複数回往復させたり光検出器の位置をレーザ光源
側に配置することにより装置をコンパクトにすることが
できる。さらに、光吸収セルの封入圧力を高めることに
より光吸収セル長を短くすることができる。

〔発明の効果〕

以上、述べたように、本発明による波長安定光源は、波
長基準としてアセチレンガスの１．５μｍ帯に存在する
強く鋭い光吸収ピークを用いることにより、次に示すよ
うな固有の効果を有する。

（１）　　アセチレン分子が、強い光吸収率と狭い吸収
ピークの幅を持つため、波長制御信号の高いＳ／Ｎが得
られるため、高い波長安定度が得られる。

（２）　　アセチレン分子の強い吸収スペクトルの波長
域が１．５４５μｍまで伸びているため、コヒーレント
光通信用の光ファイバー（最低損失波長１．５５μｍ）
での光損失が少な（コヒーレント光通信の光源として使
用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による波長安定化光源の一実施例を示す
図、第２図はアセチレンの吸収スペクトルの光吸収率を
示す図、第３図は波長安定化に吸収ピークの微分信号を
使用した本発明の一実施例を示す図、第４図は吸収ピー
クによる波長変動信号を示す図、第５図は波長変動信号
を位相検波することにより得られる微分型波長制御信号
を示す図、第６図は音響光学変調素子を利用した本発明
に係る一実施例、第７図は音響光学素子を利用した波長
制御信号の出力特性図、第８回はアセチレンを封入した
光吸収セルの光透過率を波長制御に利用した本発明の一
実施例を示す図、第９図は光透過率を利用した波長制御
信号の出力特性図をそれぞれ示す。 図中、１はレーザ光源、７・１２・２１はレーザ・ダイ
オード、２・８・１５・２４はアセチレンを封入した光
吸収セル、３は光検出器、９・１６・２３・２５はホト
・ダイオード、４は光検出制御回路、５・１３は発振器
、６・１９・２９はレーザ・ダイオード電源、１１・１
８はロックインアンプ、１０・１７はプリアンプ、１４
は音響光学変調器、２０は音響光学変調器用ドライバー
、２２はビームスプリッタ、２６はデイバイダー、２７
は安定化電圧源、２８は差動アンプ、３０はミラーをそ
れぞれ示す。 特許出願人　　　上原喜代治ほか２名 代理人　　弁理士　　小　池　龍太部 享２図 淡 ６戸り 第７ 孕４図 茅５回 竿３図 移り図 第７図 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 レーザ光源（１）と；該レーザ光源（１）からの出力光
   を透過させ、特定波長の光を吸収する光吸収セル（２）
   と；該光吸収セル（２）を透過したレーザ光を検出し、
   光強度に応じた信号を出力する光検出器（３）と；該信
   号に応じて前記レーザ光源からの出力光の波長を、該光
   吸収セル（２）の光吸収特定波長に一致せしめるように
   、該レーザ光源（１）を制御する光波長制御回路（４）
   とを備えて成る波長安定化光源において、 前記光吸収セル（２）内にアセチレンが存在することを
   特徴とする波長安定化光源。